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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen geräuscharmen Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC Motor).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Elektromotor ist eine Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer in mechanische Energie nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und lässt sich je nach Art der Eingangsenergie allgemein in Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren unterteilen.
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PMDC-Motoren sind ein Typ eines Gleichstrommotors, der ein durch einen Permanentmagnet erzeugtes Magnetfeld aufweist. PMDC-Motoren finden breite Anwendung auf verschiedenen Gebieten, u. a. in tragbaren elektronischen Geräten und in Fahrzeugzubehör.
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Unterschiedliche Anwendungsgebiete stellen unterschiedliche Anforderungen an die Leistung des Motors. In einem Heizungs-, Lüftungs-, Klimasystem (HLK-System) zum Beispiel wird ein PMDC-Motor zum Einleiten von Frischluft in das Fahrzeug verwendet und muss geräuscharm sein. 1 zeigt einen bekannten PMDC-Motor, der in dem HLK-System eines Fahrzeugs verwendet wird. Der Motor hat ein Gehäuse 100, einen Ständermagnet, der an der Innenfläche des Gehäuses 100 befestigt ist, und einen Läuferkern 300, der im Inneren des Ständermagnets 200 angeordnet ist. Bei diesem Motor ist die Dicke des Ständermagnets 200 relativ gering und der Außendurchmesser des Läuferkerns 300 relativ groß – in diesem speziellen Beispiel 17,9 mm. Dadurch hat der Läuferkern 300 eine hohe Rotationsträgheit, die leicht Geräusche produzieren kann, so dass die Anforderungen der Kunden an ein geräuscharmes HLK-System zur Verwendung in einem Fahrzeug nicht erfüllt werden.
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Es wird daher ein verbesserter geräuscharmer PMDC-Motor gewünscht, der für die Verwendung in einem HLK-System eines Fahrzeugs geeignet ist.
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ÜBERSICHT
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor angegeben, umfassend: einen Ständer mit einem Gehäuse, einem im Inneren des Gehäuses angeordneten Ständermagnet und einer Endkappenanordnung, einen Läufer mit einer Welle, einem an der Welle montierten und in dem Ständermagnet angeordneten Läuferkern, Läuferwicklungen, die um den Läuferkern herumgeführt sind, einem an der Welle befestigten Kommutator und einer Vielzahl von Kommutatorsegmenten, die an einer Außenfläche des Kommutators angeordnet sind, wobei die Endkappenanordnung umfasst: eine Kunststoffendkappe, die an einem Ende des Gehäuses befestigt ist, eine Abdeckung, die an einer Außenseite der Endkappe angeordnet ist, und Bürsten, die an der Endkappe montiert sind, wobei ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Läuferkerns zu dem Außendurchmesser des Gehäuses in einem Bereich von 0,60 bis einschließlich 0,67 liegt.
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Vorzugsweise ist ein Positionierungsring an ein Ende des Läuferkerns angrenzend an der Welle angeordnet.
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Vorzugsweise ist ein erstes Lager angrenzend an den Positionierungsring an der Welle befestigt, und ein Abstandshalter ist zwischen dem Positionierungsring und dem Lager angeordnet.
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Vorzugsweise ist die Abdeckung ein Metallteil, und eine Lagernabe ist an einer Innenfläche der Abdeckung gebildet, ein an den Kommutator angrenzendes Ende der Welle ist an einem an der Lagernabe befestigten zweiten Lager montiert, und ein Axiallager ist in einer axialen Richtung der Welle zwischen einem distalen Ende der Welle und der Lagernabe angeordnet.
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Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Stiften und Vorsprüngen an einer Endfläche der Endkappe gebildet, die Abdeckung hat eine Vielzahl von Durchgriffsöffnungen und Positionierungsschlitzen, die den Stiften und den Vorsprüngen entsprechen, und die Stifte und Vorsprünge sind jeweils in den Durchgriffsöffnungen und den Positionierungsschlitzen angeordnet, um die Abdeckung an der Endkappe zu montieren.
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Vorzugsweise ist das zweite Lager an einem Boden des Gehäuses befestigt und die Welle erstreckt sich durch das Lager zur Außenseite des Gehäuses.
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Vorzugsweise ist eine erste Belüftungsöffnung in einem Boden des Gehäuses und eine zweite Belüftungsöffnung in der Abdeckung gebildet.
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Vorzugsweise beträgt ein Außendurchmesser des Läuferkerns 15,9 mm, der Ständermagnet hat eine radiale Dicke von 3,2 mm, und ein Außendurchmesser des Gehäuses beträgt 24,6 mm.
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Vorzugsweise sind zwei Motoranschlüsse an der Endkappe montiert, und die Bürsten umfassen zwei Bürstenlamellen mit Fingern, wobei ein Ende jeder der Bürsten mit einem entsprechenden Motoranschluss fest verbunden ist und das andere Ende für einen elektrischen Gleitkontakt mit dem Kommutator angeordnet ist.
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Vorzugsweise haben die Bürsten einen Bürstenarm und einen Vibrationsdämpfer, der an der Bürstenplatte befestigt ist.
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Vorzugsweise beträgt eine Dicke des Bürstenarms 0,065 mm.
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Vorzugsweise liegen die Verbindungspunkte der beiden Bürsten und der beiden Motoranschlüsse auf einem Durchmesser der Endkappe, der durch eine Drehachse der Welle geht.
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Vorzugsweise ist der Ständermagnet ein Ferritmagnet.
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Vorzugsweise ist der Ständermagnet ein Gummi-Verbundmagnet.
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Vorzugsweise sind einander gegenüberliegende Enden und Schlitze des Läuferkerns mit einem Isolierharz beschichtet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
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1 ist eine Schnittansicht eines Gehäuses, eines Ständermagnets und eines Läuferkerns eines PMDC-Motors gemäß dem Stand der Technik;
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2 ist eine Schnittansicht eines Gehäuse, eines Ständermagnets und eines Läuferkerns eines PMDC-Motors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt den PMDC-Motor von 2;
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4 zeigt den Motor von 3 aus einer anderen Perspektive;
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5 ist eine isometrische Darstellung des Gehäuses, des Ständermagnets und des Läuferkerns des Motors von 3;
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6 ist eine Schnittansicht des Motors von 3;
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7 zeigt den Läufer und Bürsten des Motors von 3, wobei die Wicklungen weggelassen wurden;
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8 zeigt den Motor von 3 bei abgenommenem Gehäuse;
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9 ist eine ähnliche Ansicht wie 8 und zeigt eine Endkappe, einen Läuferkern und eine Welle;
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10 ist eine ähnliche Ansicht wie 7, jedoch aus einer anderen Perspektive.
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11 ist eine Tabelle mit Geräusch- und Vibrations-Testergebnissen des bekannten PMDC-Motors;
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12 ist eine Tabelle mit Geräusch- und Vibrations-Testergebnissen des PMDC-Motors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 2 bis 10 zeigen einen PMDC-Miniaturmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der vorzugsweise in einem HLK-System eines Fahrzeugs verwendet wird. Der Motor hat eine Ausgangsleistung von weniger als 2 Watt. Der Motor hat ein Gehäuse 1, einen im Inneren des Gehäuses 1 angeordneten Ständermagnet 2, einen Läufer und eine Endkappenanordnung. Der Läufer hat eine Welle, einen Läuferkern 3, der an der Welle montiert und in dem Ständermagnet 2 angeordnet ist, Läuferwicklungen (nicht gezeigt), die um den Läuferkern 3 herumgeführt sind, und einen Kommutator 5, der an der Welle 4 montiert ist und eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten 7 hat, die an einer Außenfläche des Kommutators 5 angeordnet sind. Die Endkappenanordnung hat eine Kunststoffendkappe 9, die an einem Ende des Gehäuses 1 angeordnet ist, eine Endabdeckung 10, die an einer Außenseite der Endkappe 9 angeordnet ist, und Bürsten 11, die an der Endkappe 9 montiert sind und sich mit dem Kommutator in Kontakt befinden.
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Ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Läuferkerns 3 zu dem Außendurchmesser des Gehäuses 1 liegt in einem Bereich von 0,60 bis einschließlich 0,67. Vorzugsweise beträgt der Außendurchmesser des Gehäuses etwa 25 mm, weiter vorzugsweise 24,6 mm.
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Es wird insbesondere auf 2 Bezug genommen. Verglichen mit dem üblichen Motor hat der Ständermagnet 2 eine verhältnismäßig größere Dicke, und der Läuferkern 3 hat einen verhältnismäßig kleineren Außendurchmesser. Dies kann die Rotationsträgheit des Läuferkerns 3 verringern, wodurch das Geräusch verringert wird, das der Permanentmagnet-Gleichstrommotor während des Betriebs generiert. Vorzugsweise ist der Ständermagnet 2 ein einteiliger Magnet, entweder in Form eines zylindrischen Magnets oder in Form einer rechteckigen Platte, die zu einem Zylinder oder Ring gerollt ist, was für einen Gummi-Verbundmagnet üblicher ist. Vorzugweise ist der Magnet ein Ferritmagnet. Vorzugsweise ist der Magnet mit einem Klebstoff an dem Gehäuse 1 befestigt. Der Ständermagnet stellt zwei Magnetpole bereit.
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Es wird insbesondere auf die 8 bis 10 Bezug genommen. Die einander gegenüberliegenden Enden und Schlitze des Läuferkerns 3 sind mit einem Isolierharz 41 beschichtet. Ein Positionierungsring 42 ist an der Welle 4 angeordnet und grenzt dabei an ein Ende des Läuferkerns 3 an. Ein Lager 44 ist dem Positionierungsring benachbart auf einer von dem Kommutator 5 entfernten Seite an der Welle 4 befestigt. Ein Abstandshalter 43 ist zwischen dem Positionierungsring 42 und dem Lager 44 angeordnet. Eine nach außen vorspringende Lagernabe 102 ist an einer Innenfläche der Endabdeckung 10 gebildet. Das an den Kommutator 5 angrenzende Ende der Welle 4 ist an einem Lager 45 befestigt, das in der Lagernabe 102 montiert ist. In dieser Ausführungsform umschließt die Lagernabe 102 das axiale Ende der Welle 4, und ein Axiallager 46 ist in einer axialen Richtung der Welle 4 zwischen dem Ende der Welle 4 und dem Ende der Lagernabe 102 angeordnet.
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Die Welle 4 ist über die beiden Lager 44, 45 an dem Gehäuse 1 und der Endkappenanordnung drehbar montiert. Das von dem Kommutator 5 entfernte Ende der Welle 4 erstreckt sich durch das Lager 44 und aus dem Gehäuse 1 heraus, für den Antrieb eines anzutreibenden Elements. Vorzugsweise hat der Läuferkern 3 drei Läuferzähne, an denen die Läuferwicklungen ausgeführt sind. Der Kommutator 5 hat drei Kommutatorsegmente 7. Enden der Läuferwicklungen sind mit den Kommutatorsegmenten elektrisch verbunden, so dass die Läuferwicklungen über den Kommutator 5, die Bürsten 11 und die Motoranschlüsse 111 mit einer externen Stromversorgung verbunden sind.
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Vorzugsweise ist der Spalt zwischen dem Läuferkern 3 und dem Ständermagnet 2 im Vergleich zu dem konventionellen Motor ebenfalls verringert. Bei vorliegender Erfindung beträgt der Spalt zwischen dem Läuferkern 3 und dem Ständermagnet 2 gleich 0,25 mm. Eine Vielzahl von Stiften 91 und Vorsprüngen 90 ist an einer Endfläche der Endkappe 9 angeordnet. Die Endabdeckung 10 hat eine Vielzahl von Durchgriffsöffnungen 101 und Positionierungsschlitzen 103, die den Stiften 91 und Vorsprüngen 90 entsprechen. Die Stifte 91 und die Vorsprünge 90 der Endkappe 9 greifen jeweils in die Durchgriffsöffnungen 101 und in die Positionierungsschlitze 103 ein, um die Endkappe 9 an der Endabdeckung 10 festzulegen. Die Endabdeckung 10 schützt innenliegende Strukturen des Motors. Vorzugsweise sind die Stifte 91 heißvernietet oder in anderer Weise plastisch verformt, um die Abdeckung 10 an der Kunststoffendkappe 9 festzulegen. Vorzugsweise ist die Abdeckung 10 ein Metallteil. Ferner bildet jeder Vorsprung 90 der Endkappe einen Befestigungsschlitz 92.
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Wie 10 zeigt, umfassen die Bürsten 11 zwei Bürstenlamellen mit Fingern. Jede Bürste 11 ist an einem betreffenden Motoranschluss 111 befestigt, bevorzugt durch Stauchnieten. Ein Bürstenarm 112 ist senkrecht mit dem Motoranschluss 111 verbunden und ein Vibrationsdämpfer 113 an dem Bürstenarm 112 befestigt. Der Bürstenarm hat ein distales Ende, das in eine Anzahl von Fingern unterteilt ist, vorzugsweise in drei Finger, die für einen Gleitkontakt mit den Kommutatorsegmenten 7 angeordnet sind. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Bürstenarms 112 gleich 0,065 mm. Die Verbindungspunkte der beiden Bürsten und der beiden Motoranschlüsse liegen auf einem Durchmesser der Endkappe 9, der durch die Mitte des Kreises geht. Die Motoranschlüsse 111 erstrecken sich von den Befestigungsschlitzen 92 zur Außenseite der Endkappe 9, für die Verbindung mit einer externen Stromversorgung.
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Es wird auf 4 Bezug genommen. Eine erste Belüftungsöffnung 122 ist in einem Boden des Gehäuses 1 gebildet. Wie 7 zeigt, ist eine zweite Belüftungsöffnung 104 in der Abdeckung 10 gebildet. Luft kann über die Belüftungsöffnungen 104, 122 durch den Motor hindurchströmen.
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Der Außendurchmesser des Ständermagnets 200 des bekannten PMDC-Motors von 1 beträgt 22,8 mm, der Innendurchmesser 18,8 mm, die axiale Länge 20 mm und das Gewicht 9,82 g. Der Außendurchmesser des Läuferkerns 300 beträgt 17,9 mm, die axiale Länge 13,5 mm und das Gewicht 15,39 g. Das Gewicht der Läuferwicklungen beträgt 6,45 g.
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Bei dem PMDC-Motor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Außendurchmesser des Ständermagnets 2 gleich 22,8 mm, der Innendurchmesser 16,4 mm, die axiale Länge 17 mm und das Gewicht 12,19 g. Der Außendurchmesser des Läuferkerns 3 beträgt 15,9 mm, die axiale Länge 14 mm, das Gewicht 11,63 g. Das Gewicht der Läuferwicklungen beträgt 4,72 g. Im Vergleich zu dem bekannten Motor sind die Größe und das Gewicht des Läuferkerns sowie das Gewicht des Läuferkerns bei Erfüllung der gleichen Leistungsanforderung verringert. Dadurch wird das Gesamtgewicht und folglich die Rotationsträgheit des Läufers verringert, was zu einer Verringerung des Geräusches führt, das der Motor während des Betriebs erzeugt. Die größere Dicke des Ständermagnets vergrößert die Steifigkeit des Ständers, wodurch das während des Betriebs von dem Motor erzeugte Geräusch weiter verringert wird. Hinzu kommt eine entsprechende Verringerung des Gewichts und der Gesamtkosten des Motors.
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Es wurde ein Geräusch- und Vibrationstest an dem bekannten Motor und an dem Motor gemäß der bevorzugten Ausführungsform durchgeführt. Die Testergebnisse sind jeweils in den 11 und 12 dargestellt. Wie ersichtlich ist, sind das Geräusch und die Vibration des Motors selbst und des Läuferkerns des erfindungsgemäßen Motors und des gesamten HLK-Systems des Fahrzeugs geringer als bei dem bekannten Motor, und zwar sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtsbetrieb.
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Zusammenfassend wird gemäß vorliegender Erfindung das Geräusch eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors während des Betriebs verringert, indem die Dicke des Ständermagnets vergrößert und der Außendurchmesser des Läuferkerns verkleinert wird, um die Rotationsträgheit des Läuferkerns zu verringern. Dies verbessert die Qualität des PMDC-Motors und erfüllt die Kundenanforderungen an einen geräuscharmen Motor für die Verwendung in HLK-Systemen von Fahrzeugen.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Synonyme, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, drücken aus, dass das genannte Element oder Merkmal vorhanden ist, sie schließen jedoch nicht aus, dass auch weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
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Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber im Kontext einzelner Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze der Beschreibung halber im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso getrennt oder in zweckmäßigen Unterkombinationen vorgesehen sein können.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich ein Beispiel dar. Der Fachmann wird erkennen, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, verschiedene weitere Modifikationen möglich sind.
